ch差分式放大与频率响应实用实用教案

1、华中科技大学 张林电子技术电子技术(jsh)(jsh)基础模拟部分基础模拟部分1 1 绪论2 2 运算放大器3 3 二极管及其基本电路4 4 场效应三极管及其放大电路5 5 双极结型三极管及其放大电路6 6 差分式放大与频率响应(pn l xin yn)(pn l xin yn)7 7 模拟集成电路8 8 反馈放大电路9 9 功率放大电路10 10 信号处理与信号产生电路11 11 直流稳压电源第1页/共75页第一页，共76页。华中科技大学 张林6 频率响应(pn l xin yn)6.1 6.1 放大电路的频率响应放大电路的频率响应6.2 6.2 单时间常数单时间常数RCRC电路的频率响应电

2、路的频率响应6.3 6.3 共源和共射放大电路的低频响应共源和共射放大电路的低频响应6.4 6.4 共源和共射放大电路的高频共源和共射放大电路的高频(o pn)(o pn)响应响应6.5 6.5 共栅和共基、共漏和共集放大电路的高频共栅和共基、共漏和共集放大电路的高频(o pn)(o pn)响应响应6.6 6.6 扩展放大电路通频带的方法扩展放大电路通频带的方法6.7 6.7 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应* *6.8 6.8 单级放大电路的瞬态响应单级放大电路的瞬态响应第2页/共75页第二页，共76页。华中科技大学 张林6.1 放大电路放大电路(dinl)的频率响应的频率响应1

3、、需要放大的信号通常都包含许多频率成份。如话筒输出的语音信号、需要放大的信号通常都包含许多频率成份。如话筒输出的语音信号（20Hz20kHz ），卫星电视信号（），卫星电视信号（3.74.2GHz ）等。）等。2、放大电路中含有电抗元件或等效的电抗元件，导致对不同频率的信、放大电路中含有电抗元件或等效的电抗元件，导致对不同频率的信号放大倍数和时延不同。若信号中不同的频率成份不能被放大电路同号放大倍数和时延不同。若信号中不同的频率成份不能被放大电路同等地放大（包括时延），则会出现等地放大（包括时延），则会出现(chxin)失真现象（称为线性失真失真现象（称为线性失真或频率失真）。或频率失真）。两

4、个(lin )现实情况第3页/共75页第三页，共76页。华中科技大学 张林6.1 放大放大(fngd)电路的频率响应电路的频率响应 因此，放大电路对不同频因此，放大电路对不同频率的输入率的输入(shr)信号具有不同信号具有不同的放大能力，即增益是输入的放大能力，即增益是输入(shr)信号频率的函数。信号频率的函数。放大电路对不同频率信号产生(chnshng)不同响应的根本原因 前两章分析放大电路的性能指标时，是假设电路中所有耦合电容和旁路电容对前两章分析放大电路的性能指标时，是假设电路中所有耦合电容和旁路电容对信号频率来说都呈现非常小的阻抗而视为短路；信号频率来说都呈现非常小的阻抗而视为短路；

5、FET或或BJT的极间电容、电路中的极间电容、电路中的负载电容及分布电容对信号频率来说都呈现非常大的阻抗而视为开路。的负载电容及分布电容对信号频率来说都呈现非常大的阻抗而视为开路。输入输入输出输出放大电路放大电路)( fAV 1、电抗元件的阻抗会随信号频率的变化而变化。、电抗元件的阻抗会随信号频率的变化而变化。2、放大电路中有耦合电容、旁路电容和负载电容，、放大电路中有耦合电容、旁路电容和负载电容，FET或或BJT也存在也存在PN结电容，结电容，此外实际电路中还有分布电容。此外实际电路中还有分布电容。 第4页/共75页第四页，共76页。华中科技大学 张林6.1 放大电路放大电路(dinl)的频

6、率响应的频率响应放大电路典型的频率响应(pn l xin yn)曲线阻容耦合单级共源放大电路阻容耦合单级共源放大电路的典型频率响应曲线如图所的典型频率响应曲线如图所示，其中示，其中(qzhng)图图a是幅频是幅频响应曲线，图响应曲线，图b是相频响应曲是相频响应曲线。一般有线。一般有 fH fL如果信号的所有频率成份均如果信号的所有频率成份均落在通频带内，则基本上不落在通频带内，则基本上不会出现频率失真现象。会出现频率失真现象。 若已知信号的频率成份，要设计出满足要求的放大电路，最主要的若已知信号的频率成份，要设计出满足要求的放大电路，最主要的任务就是设计出频率响应的任务就是设计出频率响应的fH

7、和和fL。第5页/共75页第五页，共76页。华中科技大学 张林6.1 放大放大(fngd)电路的频率响应电路的频率响应1、正弦稳态响应是分析频率响应的基本方法、正弦稳态响应是分析频率响应的基本方法2、工程上常采用分段分析的简化方法。即分别分析放大电路的低频响应、中、工程上常采用分段分析的简化方法。即分别分析放大电路的低频响应、中频（通频带）响应和高频响应，最后合成全频域响应。其中通频带内的响应频（通频带）响应和高频响应，最后合成全频域响应。其中通频带内的响应与频率无关，就是前两章放大电路性能指标的分析结果。与频率无关，就是前两章放大电路性能指标的分析结果。3、也可以用计算机辅助分析（如、也可以

8、用计算机辅助分析（如Spice等）的方法，获得等）的方法，获得(hud)放大电路精放大电路精确的频率响应曲线。确的频率响应曲线。频率响应(pn l xin yn)的分析方法 研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。具体研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。具体包括：包括：1、频率响应的分析方法、频率响应的分析方法2、影响放大电路频率响应的主要因素、影响放大电路频率响应的主要因素3、如何设计出满足信号频带要求的放大电路、如何设计出满足信号频带要求的放大电路4、各种组态放大电路频率响应特点、各种组态放大电路频率响应特点本章讨论的主要内容第6页/共75页第六

9、页，共76页。华中科技大学 张林6.2 单时间常数(sh jin chn sh)RC电路的频率响应6.2.1 RC高通电路高通电路(dinl)的频的频率响应率响应6.2.2 RC低通电路低通电路(dinl)的频的频率响应率响应第7页/共75页第七页，共76页。华中科技大学 张林6.2.1 RC高通电路高通电路(dinl)的频率响应的频率响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数 R1 + iV oV C1 + RC 高通电路高通电路 11111ioL/1/1)()()(CRsssCRRsVsVsAV fsj2j 且令且令11L21CRf 又又则则)/j(11LioLffVVAV 电压电

10、压(diny)增益的幅值增益的幅值（模）（模）2LL)/(11ffAV （幅频响应）（幅频响应）电压增益的相角电压增益的相角)/(arctanLLff （相频响应）（相频响应）第8页/共75页第八页，共76页。华中科技大学 张林6.2.1 RC高通电路高通电路(dinl)的频率响应的频率响应2. 频率响应曲线频率响应曲线(qxin)描述描述最大误差最大误差(wch) -3dB时时，当当 Lff 1)/(112LL ffAVdB 01lg20lg20L VA时时，当当 Lff L2LL/)/(11ffffAV 0分贝水平线分贝水平线)/lg(20lg20LLffAV 幅频响应幅频响应2LL)/(

11、11ffAV 第9页/共75页第九页，共76页。华中科技大学 张林6.2.1 RC高通电路高通电路(dinl)的频率响应的频率响应2. 频率响应曲线频率响应曲线(qxin)描述描述时时，当当 Lff 时时，当当 Lff 相频响应相频响应(xingyng) 0L 90L 时时，当当 Lff 45L 时时，当当 100.1 LLfff 十十倍倍频频的的直直线线斜斜率率为为/45 VVAVVAio低频时，输出超前输入低频时，输出超前输入因为因为io 表示输出与表示输出与所以所以输入的相位差。输入的相位差。)/(arctanLLff 第10页/共75页第十页，共76页。华中科技大学 张林6.2.2 R

12、C低通电路低通电路(dinl)的频率响应的频率响应 R2 + iV oV C2 + RC 低通电路低通电路 幅频响应幅频响应(xingyng)2HH)/(11ffAV 相频响应相频响应(xingyng)/(arctanHHff 1. 增益的传递函数增益的传递函数22222ioH11/1/1)()()(CsRsCRsCsVsVsAV 22H21CRf 第11页/共75页第十一页，共76页。华中科技大学 张林6.2.2 RC低通电路低通电路(dinl)的频率响应的频率响应 R2 + iV oV C2 + RC 低通电路低通电路 幅频响应幅频响应(xingyng)2HH)/(11ffAV 相频响应相

13、频响应(xingyng)/(arctanHHff 输出滞后输入输出滞后输入2. 频率响应曲线频率响应曲线第12页/共75页第十二页，共76页。华中科技大学 张林6.3 共源和共射放大电路(dinl)的低频响应6.3.1 共源放大电路共源放大电路(dinl)的低的低频响应频响应6.3.2 共射放大电路共射放大电路(dinl)的低的低频响应频响应第13页/共75页第十三页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频共源放大电路的低频(dpn)响应响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数 低频低频(dpn)(dpn)区内，电路中的耦合电容、区内，电路中的耦合电容、旁路电容的

14、阻抗增大，不能再视为短路。旁路电容的阻抗增大，不能再视为短路。低频小信号等效电路低频小信号等效电路g2g1g| RRR 第14页/共75页第十四页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路共源放大电路(dinl)的低频响应的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数为简化分析为简化分析(fnx)(fnx)，设低频区内，设低频区内，有有低频小信号等效电路低频小信号等效电路ss1RC 则则Rs可作开路处理可作开路处理第15页/共75页第十五页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频共源放大电路的低频(dpn)响应响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的

15、传递函数定性定性(dng xng)(dng xng)讨论讨论 Cb1所在的输入回路构所在的输入回路构成的是成的是RC高通电路高通电路 b11C Rg上的电压|gsV输入回路输入回路第16页/共75页第十六页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频共源放大电路的低频(dpn)响应响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数定性定性(dng xng)(dng xng)讨论讨论 输出回路也是高通电路，不过不是简单的单时间常数输出回路也是高通电路，不过不是简单的单时间常数RC高高通电路。通电路。 |oV和和s1C b21C 输出回路输出回路第17页/共75页第十七页，共76页

16、。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频共源放大电路的低频(dpn)响应响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数由电路由电路(dinl)(dinl)可列出可列出方程方程由前两个方程得由前两个方程得sb1gsiggj1VCRRRV gsmsggsj1VgCVV gsmb2LddLoj1VgCRRRRV sb1gsigsmgsmj1j111VCRRRCgVg 第18页/共75页第十八页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路共源放大电路(dinl)的低频响应的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数代入第代入第3 3个方程个方程(fngchng)(f

17、ngchng)得源得源电压增益电压增益 b1gsigsmb2LddLsoSLj1j111j1CRRRCgCRRRRVVAV b1gsismb2LdsiggLdm)(j111j11)(j111)|(CRRCgCRRRRRRRg 第19页/共75页第十九页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大共源放大(fngd)电路的低频响应电路的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数令令 b1gsismb2LdsiggLdmSL)(j111j11)(j111)|(CRRCgCRRRRRRRgAV siggLdmSM)|(RRRRRgAV b1gsiL1)(21CRRf smL22Cg

18、f b2LdL3)(21CRRf f2 且且通带内（中频）增益，与频率通带内（中频）增益，与频率(pnl)(pnl)无关无关Cb1引起的下限截止频率引起的下限截止频率Cs引起的下限截止频率引起的下限截止频率Cb2引起的下限截止频率引起的下限截止频率第20页/共75页第二十页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路共源放大电路(dinl)的低频响应的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数其中其中第第1项是与频率无关的通带内源电压项是与频率无关的通带内源电压(diny)增益增益后三项分别是后三项分别是3个与个与6.2节节RC高通电路相同的低频响应。高通电路相同的低频响

19、应。 可见共源放大电路的低频响应是由可见共源放大电路的低频响应是由3个个RC高通电路共同作用的高通电路共同作用的结果。结果。则则)/j(11)/j(11)/j(11L3L2L1SMSLffffffAAVV 为简单起见，假设为简单起见，假设3个下限截止频率个下限截止频率fL1、fL2和和fL3之间相距较远之间相距较远（4倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如有倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如有fL2 4 fL1，fL1 fL3，则上式简化为，则上式简化为 第21页/共75页第二十一页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大共源放大(fngd)电路的低频

20、响应电路的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数)/j(11L2SMSLffAAVV 2. 增益增益(zngy)的频率响应波特图的频率响应波特图2L2SMSL)/(11lg20|lg20|lg20ffAAVV )/arctan(180L2ff siggLdmSM)|(RRRRRgAV 水平线不水平线不是是0 dBf fL2时，相频响应为时，相频响应为-180 ，反映了，反映了通带内输出与输入的反相关系通带内输出与输入的反相关系第22页/共75页第二十二页，共76页。华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频共源放大电路的低频(dpn)响应响应 若想尽可能降低下限截止频率，

21、则需要尽可能选择大的旁路电容若想尽可能降低下限截止频率，则需要尽可能选择大的旁路电容Cs和耦合电容和耦合电容Cb1、Cb2。但这种改善是很有限的，因此。但这种改善是很有限的，因此(ync)在信号频率在信号频率很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。)/j(11)/j(11)/j(11L3L2L1SMSLffffffAAVV b1gsiL1)(21CRRf smL22Cgf b2LdL3)(21CRRf 第23页/共75页第二十三页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大共射放大(fngd)电路的低频响应电路的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递

22、函数的传递函数低频低频(dpn)(dpn)小信号等效小信号等效电路电路Rb=（Rb1 | Rb2）远大于）远大于R i ee1RC R i第24页/共75页第二十四页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路共射放大电路(dinl)的低频响应的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数定性定性(dng xng)(dng xng)讨论讨论输入回路构成的是输入回路构成的是RC高通电路高通电路 b21C |bI输入回路输入回路和和b11C e1C 输出回路输出回路 |oV输出回路也是高通电路输出回路也是高通电路第25页/共75页第二十五页，共76页。华中科技大学 张林6.3.

23、2 共射放大共射放大(fngd)电路的低频响应电路的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数由第由第2 2个方程个方程(fngchng)(fngchng)得得由电路可列出方程由电路可列出方程sebbeb1sibj1)1()j1(VCIrCRI bb2LccLoj1ICRRRRV s1besibj11VCrRI 其中其中eb1eb11)1(CCCCC 第26页/共75页第二十六页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大共射放大(fngd)电路的低频响应电路的低频响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数代入第代入第1 1个方程得源电压个方程得源电压(diny)(d

24、iny)增益增益 1besib2LcLcsoSLj11j1CrRCRRRRVVAV 1besib2LcbesibebeLc)(j111)(j111)|(CrRCRRrRrrRR 第27页/共75页第二十七页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频共射放大电路的低频(dpn)响应响应1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数 1besib2LcbesibebeLcsoSL)(j111)(j111)|(CrRCRRrRrrRRVVAV 令令besibebeLcSM)|(rRrrRRAV 1besiL1)(21CrRf b2LcL2)(21CRRf f2 且且通带内（中频通带

25、内（中频(zhngpn)(zhngpn)）增益，）增益，与频率无关与频率无关由由Cb1和和Ce引起的下引起的下限截止频率限截止频率Cb2引起的下限截止频率引起的下限截止频率eb1eb11)1(CCCCC 第28页/共75页第二十八页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路共射放大电路(dinl)的低频响应的低频响应其中其中第第1项是与频率无关项是与频率无关(wgun)的通带内源电压增益的通带内源电压增益后两项分别是后两项分别是2个与个与6.2节节RC高通电路相同的低频响应。高通电路相同的低频响应。 可见共射放大电路的低频响应是由可见共射放大电路的低频响应是由2个个RC高通电路共同

26、作用的结果。高通电路共同作用的结果。其中其中fL1与与Cb1和和Ce两个电容有关。两个电容有关。则则)/j(11)/j(11L2L1SMSLffffAAVV 为简单起见，假设为简单起见，假设2个下限截止频率个下限截止频率fL1和和fL2之间相距较远（之间相距较远（4倍以倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如(lr)有有fL1 4 fL2，则上式简化为则上式简化为 1. 增益的传递函数增益的传递函数第29页/共75页第二十九页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路共射放大电路(dinl)的低频响应的低频响应)/j(11

27、L1SMSLffAAVV 1. 增益增益(zngy)的传递函数的传递函数besiLcSM)|(rRRRAV 2. 增益增益(zngy)的频率响应波特图的频率响应波特图2L1SMSL)/(11lg20|lg20|lg20ffAAVV )/arctan(180L1ff 水平线不水平线不是是0 dBf fL1时，相频响应为时，相频响应为-180 ，反映了，反映了通带内输出与输入的反相关系通带内输出与输入的反相关系第30页/共75页第三十页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频共射放大电路的低频(dpn)响应响应2. 增益增益(zngy)的频率响应波特图的频率响应波特图包含包含(

28、bohn)fL2的幅的幅频响应频响应第31页/共75页第三十一页，共76页。华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路共射放大电路(dinl)的低频响应的低频响应 若想尽可能降低下限截止频率若想尽可能降低下限截止频率(pnl)，则需要尽可能选择大的旁路，则需要尽可能选择大的旁路电容电容Ce和耦合电容和耦合电容Cb1、Cb2。但这种改善是很有限的，因此在信号频率。但这种改善是很有限的，因此在信号频率(pnl)很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。)/j(11)/j(11L2L1SMSLffffAAVV 1besiL1)(21CrRf b2LcL2)(21CR

29、Rf eb1eb11)1(CCCCC 第32页/共75页第三十二页，共76页。华中科技大学 张林 小结小结(xioji) （1）通过对共源和共射放大电路低频响应的分析看到，影）通过对共源和共射放大电路低频响应的分析看到，影响低频响应的主要因素是旁路电容和耦合电容。若想尽可能降低响低频响应的主要因素是旁路电容和耦合电容。若想尽可能降低放大电路的下限截止频率，则尽量选用容量较大的旁路电容和耦放大电路的下限截止频率，则尽量选用容量较大的旁路电容和耦合电容，其它组态的放大电路有类似的结论。合电容，其它组态的放大电路有类似的结论。 （2）以上分析过程均假设电路满足）以上分析过程均假设电路满足(mnz)一

30、定条件，进行一定条件，进行了简化处理，实际上通过了简化处理，实际上通过SPICE仿真可以得到更精确的分析结果。仿真可以得到更精确的分析结果。 （3）通过选用大容量电容降低下限截止频率的效果通常是）通过选用大容量电容降低下限截止频率的效果通常是有限的，因此在信号频率很低的场合，可考虑采用直接耦合的放有限的，因此在信号频率很低的场合，可考虑采用直接耦合的放大电路。大电路。第33页/共75页第三十三页，共76页。华中科技大学 张林6.4 共源和共射放大电路的高频(o pn)响应6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位管的高频小信号模型及单位(dnwi)增益频率增益频率fT6.4.2 共源放大电路的

31、高频响应共源放大电路的高频响应6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参的高频小信号模型及频率参数数6.4.4 共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应第34页/共75页第三十四页，共76页。华中科技大学 张林6.4.1 MOS管的高频小信号管的高频小信号(xnho)模型及单位模型及单位增益频率增益频率fT 1. MOS管的高频管的高频(o pn)小信号模型小信号模型Cgs栅栅-源电容源电容Cgd栅栅-漏电容漏电容Csb源源-衬底电容衬底电容Cdb漏漏-衬底电容衬底电容 多数情况下，多数情况下，MOS管的源极和衬底连在一起，此时管的源极和衬底连在一起，此时(c sh)Csb被短路，被短路，

32、而而Cdb变为变为Cds。 当信号频率处于高频区时，当信号频率处于高频区时，FET或或BJT的极间电容的阻抗将减小，不能再的极间电容的阻抗将减小，不能再视为开路，需考虑它们带来的影响。视为开路，需考虑它们带来的影响。 s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD 第35页/共75页第三十五页，共76页。华中科技大学 张林其中其中Cgs的典型值为的典型值为0.10.5pF，Cgd的典型值为的典型值为0.010.04 pF及及Cds通常通常(tngchng)小于小于1pF，rds为为(104106) 。一般可从数据手册上获得这些参数。一般可从数据手册上获得这些参数。C

33、gs栅栅-源电容源电容(dinrng)Cgd栅栅-漏电容漏电容(dinrng)Cds漏漏-源电容源电容(dinrng) 衬底与源极并接时的高频小衬底与源极并接时的高频小信号信号(xnho)模型（也称为模型（也称为模型）模型）6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT 1. MOS管的高频小信号模型管的高频小信号模型第36页/共75页第三十六页，共76页。华中科技大学 张林2. 单位单位(dnwi)增益频率增益频率fTfT 共源组态共源组态(z ti)、负载短路、负载短路时电流增益等于时电流增益等于1对应的频率（也对应的频率（也称为特征频率）称为特征频

34、率）rds和和Cds被短路被短路(dunl)6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT第37页/共75页第三十七页，共76页。华中科技大学 张林2. 单位增益单位增益(zngy)频率频率fTgdgsgsmgsmoj1gdCVVgIVgIC Cgd较小，在所关心的频率范围较小，在所关心的频率范围内，该支路电流远小于受控源中的内，该支路电流远小于受控源中的电流，所以电流，所以(suy)可以忽略。可以忽略。 gsgdgsgdgsgsgsi)(jj1j1VCCCVCVI gsgdgsmjVCVg gsmoVgI 又又电流电流(dinli)增益增益)(jgdg

35、smioSCCgIIAI )(j2gdgsmCCfg 6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频管的高频小信号模型及单位增益频率率fT第38页/共75页第三十八页，共76页。华中科技大学 张林2. 单位增益单位增益(zngy)频率频率fT fT与与gm成正比，与成正比，与MOS管结电容成反比。管结电容成反比。fT越大，越大，MOS管的高频性能管的高频性能(xngnng)越好，由它构成的放大电路的上限频率就越高。早期以微米技术越好，由它构成的放大电路的上限频率就越高。早期以微米技术制造的制造的MOS管的管的fT约为约为100MHz，现在以高速技术制造的，现在以高速技术制造的MOS管的管的f

36、T约为几约为几个个GHz。 )(j2gdgsmSCCfgAI 由由)(j21gdgsTmCCfg 得得)(2gdgsmTCCgf 6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益管的高频小信号模型及单位增益(zngy)频率频率fT第39页/共75页第三十九页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大共源放大(fngd)电路的高频响应电路的高频响应1. 高频高频(o pn)小信号等效电路小信号等效电路g2g1g| RRR 其中其中(qzhng)LdL| RRR 第40页/共75页第四十页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频共源放大电路的高频(o pn)响应响应1.

37、高频高频(o pn)小信号等效电路小信号等效电路定性定性(dng xng)(dng xng)讨论讨论Cgs在输入回路构成低通电路在输入回路构成低通电路 gs1C |gsV输入回路输入回路 |oV和和gd1C ds1C 输出回路输出回路输出回路也是低高通电路输出回路也是低高通电路第41页/共75页第四十一页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大共源放大(fngd)电路的高频响应电路的高频响应2. 电路电路(dinl)简化简化将将Cgs左侧电路进行左侧电路进行(jnxng)电源等电源等效变换效变换其中其中sgsigsVRRRV 为简单起见，作如下假设：为简单起见，作如下假设：LdsRr

38、 Lds1RC ，得简化后的电路得简化后的电路gsisi| RRR 第42页/共75页第四十二页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大共源放大(fngd)电路的高频响应电路的高频响应3. 密勒电容密勒电容(dinrng)对节点对节点(ji din) d 列列KCL得得0j )(gdgsoLogsm CVVRVVg 由于输出回路电流比较大，所以可由于输出回路电流比较大，所以可以忽略的以忽略的Cgd分流，得分流，得gsLmoVRgV gdogsgdj )( CVVI 而输入回路电流比较小，所以而输入回路电流比较小，所以不能忽略的不能忽略的Cgd分流分流gdLmgsj )1(CRgV 称

39、为称为密勒电容密勒电容M1CgdLmgdgsMj )1(1CRgIVZ ZM相当于相当于g和和s之间存在一个电容，若用之间存在一个电容，若用CM1表示，则表示，则gdLmM1)1(CRgC 第43页/共75页第四十三页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频共源放大电路的高频(o pn)响应响应3. 密勒电容密勒电容(dinrng)gdLmM1)1(CRgC 同理，在同理，在d、s之间也可以求得之间也可以求得一个等效电容一个等效电容CM2，且，且gdM2CC 得等效得等效(dn xio)后的后的电路电路再设再设M1M2CCM1gsCCC 且且第44页/共75页第四十四页，共

40、76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频共源放大电路的高频(o pn)响应响应3. 密勒电容密勒电容(dinrng)得最后得最后(zuhu)简化电路简化电路gdLmM1)1(CRgC 同理，在同理，在d、s之间也可以求得之间也可以求得一个等效电容一个等效电容CM2，且，且gdM2CC 得等效后的电路得等效后的电路再设再设M1M2CCM1gsCCC 且且第45页/共75页第四十五页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大共源放大(fngd)电路的高频响应电路的高频响应4. 高频响应和上限高频响应和上限(shngxin)频率频率gdLmM1)1(CRgC 输入输入(shr

41、)回路是回路是RC低通电低通电路路M1gsCCC LgsmoRVgV 由电路得由电路得ssigs)j/(1)j/(1VCRCV sgsigsVRRRV gsisi| RRR LdL| RRR soSHVVAV 得得)/j(1HSMffAV CRRRRRgsigsigLmj11 其中其中上限截止上限截止频率频率gsigLmSMRRRRgAV 通带内源电通带内源电压增益压增益CRfsiH21 第46页/共75页第四十六页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频共源放大电路的高频(o pn)响应响应4. 高频响应高频响应(xingyng)和上限频率和上限频率)/j(1HSMSHf

42、fAAVV gsigLmSMRRRRgAV 180 arctg(f/fH) 相频响应相频响应幅频响应幅频响应2HSMSH)/(11lg20 |lg20|lg20ffAAVV RC低通电低通电路路(dinl)幅频响应幅频响应常数项常数项共源通带增共源通带增益的相位益的相位第47页/共75页第四十七页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频共源放大电路的高频(o pn)响应响应4. 高频响应高频响应(xingyng)和上限频率和上限频率gsigLmSMRRRRgAV CRfsiH21 只要只要(zhyo)求得通带增益和上求得通带增益和上限截止频率，便可画出波特图限截止频率，便可

43、画出波特图gdLmgs)1(CRgCC gsisi| RRR LdL| RRR C 由上述关系看出由上述关系看出 LR |SMVA Hf增益越高，增益越高，Cgd产生的产生的密勒电容也越大，上限密勒电容也越大，上限截止频率越低截止频率越低增益和带宽相增益和带宽相互制约互制约第48页/共75页第四十八页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频共源放大电路的高频(o pn)响应响应gdLmgs)1(CRgCC gsisi| RRR LdL| RRR 5. 增益增益(zngy)-带宽积带宽积一般放大一般放大(fngd)电路有电路有 fH fL ， 则带宽则带宽BWfH fL fH

44、HSMfAV gsigLmRRRRg CRsi21 gsigLmRRRRg )1(2gdLmgsgsigsiCRgCRRRR 若有若有 ， 1gsgdLmCCRg 1LmRg)1(2gdLmgssiLmCRgCRRg 则则 gdsiHSM21CRfAV MOS管一旦确定，对相同的信号源管一旦确定，对相同的信号源增益增益- -带宽积基本为常数带宽积基本为常数# # 如何提高带宽？如何提高带宽？第49页/共75页第四十九页，共76页。华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频共源放大电路的高频(o pn)响应响应 为简化分析，上述为简化分析，上述(shngsh)分析过程对电路做了一些假设，尽

45、分析过程对电路做了一些假设，尽管如此，其分析结果仍能符合大多数实际情况。管如此，其分析结果仍能符合大多数实际情况。 使用使用CAD（如（如SPICE）工具很容易获得更精确的分析结果。）工具很容易获得更精确的分析结果。第50页/共75页第五十页，共76页。华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率的高频小信号模型及频率(pnl)参参数数1. BJT的高频的高频(o pn)小信号模型小信号模型 rbe-发射结电阻发射结电阻re折算到基折算到基极回路的电阻极回路的电阻 - -发射结电容发射结电容 - -集电结电阻集电结电阻 - -集电结电容集电结电容 rbb -基区的体电阻基区的体电

46、阻(dinz)，b是假想的基区内的一个点。是假想的基区内的一个点。互导互导CECEEBCEBCmVVvivig 第51页/共75页第五十一页，共76页。华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频小信号模型的高频小信号模型(mxng)及频率及频率参数参数1. BJT的高频的高频(o pn)小信号模型小信号模型高频高频(o pn)区通常有区通常有ebeb1 Cr cbcb1 Cr ，模型简化为模型简化为第52页/共75页第五十二页，共76页。华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频的高频(o pn)小信号模型及频率小信号模型及频率参数参数2. 模型模型(mxng)参数参数E0eb)1(IVrT

47、ebbebb rrrTmeb2 fgC 从手册中查出从手册中查出 TcbfC和和 TVIrgEeb0m （与频率（与频率(pnl)(pnl)无关）无关）# # 与信号频率有关吗与信号频率有关吗？第53页/共75页第五十三页，共76页。华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频小信号的高频小信号(xnho)模型及频率模型及频率参数参数 c + - - + - - gm e b bb r bI eb r eb C eb V eb V b cI ceV cb C 0bcce VII 由电路由电路(dinl)(dinl)有有ebcbebmcj VCVgI 低频低频(dpn)(dpn)时时ebm0 rg

48、 所以所以)(j1/jcbebebcbmbc CCrCgII 当当cbm Cg 时，时，ebcbeb0)(j1 rCC j ebcb VC ebcbebebebebbjjVCVCrVI 3. 的频率响应的频率响应第54页/共75页第五十四页，共76页。华中科技大学 张林3. 的频率响应的频率响应(pn l xin yn)6.4.3 BJT的高频小信号的高频小信号(xnho)模型及频率模型及频率参数参数)/( j10ff 其中其中(qzhng)ebcbeb)(21 rCCf幅频响应幅频响应20)/(1ff 0Tff arctgff 相频响应相频响应将将 f =fT带入幅频响应带入幅频响应2T0)

49、/(11ff T0/ ff 所以所以ebcbeb)(21 rCCebm rg第55页/共75页第五十五页，共76页。华中科技大学 张林3. 的频率响应的频率响应(pn l xin yn)6.4.3 BJT的高频的高频(o pn)小信号模型及频率小信号模型及频率参数参数ebcbeb)(21 rCCf共发射极共发射极 的的截止频率截止频率f特征频率特征频率TfTfff 共基极共基极 的的截止频率截止频率 ff = (1+ 0 ) f f fT 另外另外(ln wi)根据根据所以所以 1 1可得可得ebm0T2 Cgff第56页/共75页第五十六页，共76页。华中科技大学 张林6.4.4 共射放大共

50、射放大(fngd)电路的高频响应电路的高频响应1. 高频高频(o pn)等效电路等效电路第57页/共75页第五十七页，共76页。华中科技大学 张林6.4.4 共射放大共射放大(fngd)电路的高频响应电路的高频响应1. 高频高频(o pn)等效电路等效电路与共源放大电路类似与共源放大电路类似(li s)也可求出密也可求出密勒电容，得到等效电路勒电容，得到等效电路cbLmM1)1( CRgCcbM2 CC第58页/共75页第五十八页，共76页。华中科技大学 张林6.4.4 共射放大电路共射放大电路(dinl)的高频响应的高频响应2. 高频响应和上限高频响应和上限(shngxin)频率频率其中其中

51、(qzhng)RCf21 H 通带源电通带源电压增益压增益上限截止频率上限截止频率soSHVVAV RCrRRrRrrRg j11|bebsibebbeebLm )/j(1HSMffAV bebsibebbeebLmSM|rRRrRrrRgAV isiibeL0RRRrR M1ebCCC ebbbbsi|)|( rrRRR类似地求得源电压增益响应类似地求得源电压增益响应bebi|rRR cbLmM1)1( CRgC第59页/共75页第五十九页，共76页。华中科技大学 张林6.4.4 共射放大电路的高频共射放大电路的高频(o pn)响应响应2. 高频响应高频响应(xingyng)和上限频率和上限

52、频率RCf21 H )/j(1HSMSHffAAVV isiibeL0SMRRRrRAV M1ebCCC ebbbbsi|)|( rrRRRbebi|rRR cbLmM1)1( CRgC 3dB 0 0.1fH fH 10fH f/Hz -20dB/十倍频程十倍频程 f/Hz -45 /十倍频程十倍频程 -180 -270 0 20lg|AVSH| /dB 20lg|AVSM| -225 与共源放大电路与共源放大电路(dinl)类似类似第60页/共75页第六十页，共76页。华中科技大学 张林 例题例题(lt) 解：解： 模型模型(mxng)参数为参数为 设共射放大电路在室温下运行，其参数为：设

53、共射放大电路在室温下运行，其参数为：， 1ksR，pF5 . 000MHz41001mA100cbT0Cbb CfIr 。 k5cR负载开路，负载开路，Rb足够大忽略不计。试计算它的低频电压增益和上限频率。足够大忽略不计。试计算它的低频电压增益和上限频率。 mgTVIEmV26mA1 S 038. 0 ebrm0g S 038. 0001 k 6 . 2 ebCcbTm2 CfgpF 8 .14 M1Ccbcm)1( CRgpF 7 .96 VSMAcmRg ebbbseb rrRr51.133 Ceb CM1C pF 5 .111 低频低频(dpn)电压增益为电压增益为 R)(bbs rRe

54、b| r k 77. 0又因为又因为所以上限频率为所以上限频率为 HfRC21MHz 85. 1 VSMlg20A51.133lg20 dB 5 .42 第61页/共75页第六十一页，共76页。华中科技大学 张林6.5 共栅和共基、共漏和共集放大电路(dinl)的高频响应6.5.1 共栅和共基放大共栅和共基放大(fngd)电路的电路的高频响应高频响应6.5.2 共漏和共集放大共漏和共集放大(fngd)电路的电路的高频响应高频响应第62页/共75页第六十二页，共76页。华中科技大学 张林6.5.1 共栅和共基放大共栅和共基放大(fngd)电路的高频响电路的高频响应应1. 高频高频(o pn)小信

55、号等效电路小信号等效电路 ds的的影影响响忽忽略略 r bb的的影影响响忽忽略略 r第63页/共75页第六十三页，共76页。华中科技大学 张林6.5.1 共栅和共基放大电路的高频共栅和共基放大电路的高频(o pn)响应响应2. 高频高频(o pn)响应响应共栅放大电路的共栅放大电路的Cds均均共基放大电路无跨接在输入输出之间的电容，所以共基放大电路无跨接在输入输出之间的电容，所以(suy)无密勒电容无密勒电容效应，上限频率高于共射放大电路。效应，上限频率高于共射放大电路。第64页/共75页第六十四页，共76页。华中科技大学 张林6.5.2 共漏和共集放大电路的高频共漏和共集放大电路的高频(o

56、pn)响应响应1. 高频高频(o pn)小信号等效电路小信号等效电路第65页/共75页第六十五页，共76页。华中科技大学 张林6.5.2 共漏和共集放大电路的高频共漏和共集放大电路的高频(o pn)响应响应2. 高频高频(o pn)响应响应 虽然虽然Cgs和和Cbe都会产生密勒效应，但是应为两电路的增益均小于等于都会产生密勒效应，但是应为两电路的增益均小于等于1，所以它们的密勒电容都很小，上限频率远高于同等所以它们的密勒电容都很小，上限频率远高于同等(tngdng)工作条件下共源工作条件下共源和共射放大电路。和共射放大电路。第66页/共75页第六十六页，共76页。华中科技大学 张林6.6 扩展

57、放大扩展放大(fngd)电路通频带的方法电路通频带的方法 扩展放大电路的通频带是指降低下限频率和提高上限频率。采用直接扩展放大电路的通频带是指降低下限频率和提高上限频率。采用直接(zhji)耦合的方式可以将下限频率降至零，而提高上限频率通常有三种方耦合的方式可以将下限频率降至零，而提高上限频率通常有三种方法，即将不同组态的放大电路级联组合、外接补偿元件、采用负反馈。此法，即将不同组态的放大电路级联组合、外接补偿元件、采用负反馈。此处只讨论第一种方法。处只讨论第一种方法。 将不同组态的放大电路级联组合，可以减小前级密勒电容将不同组态的放大电路级联组合，可以减小前级密勒电容CM1= (1+gmRL

58、)Cgd（或（或CM1= (1+gmRL)Cbc）中）中RL的值，从而的值，从而(cng r)减小减小CM1，提高上限频率，损失的增益由后级补偿，共源，提高上限频率，损失的增益由后级补偿，共源共共基组合电路便是一例。基组合电路便是一例。 另外，通过放大电路级联组合，还可以减小后级另外，通过放大电路级联组合，还可以减小后级CRfsiH21 中等效信号源内阻中等效信号源内阻R si的值，从而提高的值，从而提高fH，如共集，如共集 共射组合电路。共射组合电路。第67页/共75页第六十七页，共76页。华中科技大学 张林6.7 多级放大多级放大(fngd)电路的频率响应电路的频率响应 Ri1 Ro1 1

59、io1VAV - + 1iV - + Ri2 Ro2 RL i22oVAV - + o1V - + oV - + 1. 多级放大多级放大(fngd)电路的增电路的增益益)j ()j ()j (io VVAV )j ()j ()j ()j ()j ()j (-1)o(oo1o2io1 nnVVVVVV )j ()j ()j (21 VnVVAAA 前级的开路前级的开路(kil)电压是下级的信号源电压是下级的信号源电压电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级的输入阻抗是前级的负载下级的输入阻抗是前级的负载第68页/共75页第六十八页，共76页。华中科技大学 张林6.7 多级放大电路多级放大电路(dinl)的频率响应的频率响应2. 多级放大多级放大(fngd)电路的频率响应电路的频率响应 多级放大电多级放大电路的通频带比路的通频带比构成它的任何构成它的任何一级都窄。一级都窄。（以两级为例）（以两级为例）则单级的上下限频率处的增益为则单级的上下限频率处的增益为当两级增益和频带均相同时，当两级增益和频带均相同时，。 707. 0M1VA两级的增益为两级的增益为。 5 . 0)707. 0(